致密儲集層補充能量方式分選及其界限

洪亞飛

（中國石化 江蘇油田分公司 勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚州 225000）

致密油是指儲集在覆壓基質(zhì)滲透率小于0.2 mD（空氣滲透率小于2.0 mD）儲集層中的石油；單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限，但在一定經(jīng)濟條件和技術(shù)措施下可獲得工業(yè)油產(chǎn)量，這些措施通常包括酸化壓裂、多級壓裂、水平井、多分支井等[1-3]。中國在鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和四川盆地等地區(qū)相繼取得了致密油勘探開發(fā)重要突破，資源開發(fā)潛力巨大[4-10]。

目前，世界各大致密油產(chǎn)區(qū)主要利用水平井分段壓裂技術(shù)進行致密油的衰竭式開發(fā)（自然能量開發(fā)）。但利用巖石及流體的彈性能量開發(fā)采出程度低，地層原油動用程度差，采收率一般低于15%.因此國內(nèi)外學(xué)者也在不斷開展致密儲集層補充能量的研究和探索[11-14]。由于致密儲集層孔喉狹小，流固耦合作用明顯，注水及注氣驅(qū)替技術(shù)實施效果迥異。除個別產(chǎn)區(qū)實施超前注水和注氣補充能量產(chǎn)生較好效果外，大部分產(chǎn)區(qū)實施效果較差。主要原因是分選補充能量方式界限模糊，礦場措施不適應(yīng)地層實際。

本文參考礦場實際，利用概念模型開展致密儲集層水平井分段壓裂不同補充能量方式的生產(chǎn)效果研究，探討分選補充能量方式的主控因素，并提出明確界限，以期為礦場實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 致密儲集層不同補充能量方式效果

1.1 致密儲集層模型

四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段儲集層主要為介殼灰?guī)r和泥質(zhì)介殼灰?guī)r，縱向上主要發(fā)育在大安寨段一亞段和三亞段，單層厚度2～5 m，厚者可達十幾米；儲集層平均孔隙度僅1%左右，平均氣測滲透率約0.19 mD，儲集層致密化程度高。依據(jù)礦場實際，利用PETREL_RE軟件設(shè)計了致密儲集層水平井分段壓裂五點法平注平采模型（表1）。儲集層分別依靠自然能量、注水及注氣開發(fā)，不考慮流體間的水敏、混相等作用，研究致密儲集層不同補充能量方式對生產(chǎn)效果的影響。生產(chǎn)井采用定井底流壓生產(chǎn)制度，注入井定體積注入量，不同補充能量方式井的作業(yè)制度相同，不同注入流體采用地下條件等體積流量。

表1 致密儲集層模型參數(shù)

通過不同補充能量方式累計產(chǎn)油量對比曲線（圖1）可以看出，依靠自然能量開發(fā)，累計產(chǎn)油量及采出程度都較低；采用注水開發(fā)時，累計產(chǎn)油量有所增加，采出程度由6.0%增加到7.5%左右，效果不明顯；采用注氣開發(fā)時，累計產(chǎn)油量出現(xiàn)非常明顯的增加，采出程度由7.5%增加到10.0%以上，累計產(chǎn)油量明顯提高。

圖1 致密儲集層模型不同補充能量方式累計產(chǎn)油量對比

對生產(chǎn)結(jié)束后的壓力場和含油飽和度場分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)儲集層依靠自然能量開發(fā)時，壓力的傳播范圍小，僅僅局限在4口生產(chǎn)井附近，地層深處的原油難以有效動用（圖2）；當(dāng)I1井注水時，由于儲集層致密，水相難以有效流動，壓力的傳播僅局限在注入井附近，產(chǎn)生了嚴重的憋壓現(xiàn)象，導(dǎo)致了相對于自然能量開發(fā)，注水開發(fā)效果不明顯的現(xiàn)象（圖3）；當(dāng)I1井注氣時，氣體的黏度小、流動能力強，相較于注水開發(fā)壓力的波及范圍更廣，氣體不斷的驅(qū)替原油向生產(chǎn)井流動，驅(qū)替效果明顯（圖4）。

圖2 致密儲集層模型自然能量開發(fā)壓力場（a）和含油飽和度場（b）

圖3 致密儲集層模型注水開發(fā)壓力場（a）和含油飽和度場（b）

圖4 致密儲集層模型注氣開發(fā)壓力場（a）和含油飽和度場（b）

1.2 低滲儲集層模型

基于上述致密儲集層模型將儲集層滲透率由0.02 mD增大到0.20 mD，壓裂及井參數(shù)保持不變，研究儲集層整體滲透率對生產(chǎn)的影響。通過累計產(chǎn)油量對比曲線（圖5）可以看出，相較于致密儲集層模型，低滲儲集層模型3種開發(fā)方式下的累計產(chǎn)油量都有非常明顯的增加。這表明儲集層滲透率極大地影響著儲集層的采出程度。

圖5 致密儲集層模型和低滲儲集層模型不同補充能量方式累計產(chǎn)油量對比

同時需要注意的是低滲儲集層模型注水開發(fā)的效果開始優(yōu)于注氣開發(fā)的效果。對生產(chǎn)結(jié)束后的壓力場和含油飽和度場分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)I1井注水時，由于儲集層滲透率的提高，注水井周圍的憋壓現(xiàn)象得到了緩解，水體流動能力增強。水相在不斷驅(qū)替原油流向生產(chǎn)井的同時，能夠?qū)Φ貙幽芰科鸬胶芎玫难a充作用（圖6）。注氣開發(fā)在生產(chǎn)前期仍有較好的增產(chǎn)效果，氣體黏度小，流動能力強，驅(qū)替范圍廣，儲集層剩余油分布較為均勻（圖7）。但隨著進一步生產(chǎn)，注氣不能夠很好地補充地層能量的損失，地層壓力不斷下降，注氣開發(fā)效果逐漸差于注水開發(fā)效果。因此，滲透率的差異是分選補充能量方式的關(guān)鍵參數(shù)。

圖6 低滲儲集層模型注水開發(fā)壓力場（a）和含油飽和度場（b）

2 致密儲集層分選補充能量方式界限

上述研究表明，滲透率是分選補充能量方式的關(guān)鍵參數(shù)。但在礦場實際中，滲透率往往并不能真實反映儲集層微觀特征。目前大量的研究表明：喉道半徑與滲透率有較好的相關(guān)關(guān)系，制約著流體通過巖石的能力，直接影響著致密油藏的開發(fā)效果[15-16]。

圖7 低滲儲集層模型注氣開發(fā)壓力場（a）和含油飽和度場（b）

恒速壓汞是目前采用最多的致密介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)研究的一種手段，利用恒速壓汞技術(shù)能夠有效的將喉道和孔隙區(qū)分開。針對四川盆地下侏羅統(tǒng)致密儲集層，整理了12塊致密巖心的恒速壓汞數(shù)據(jù)，得到不同滲透率巖心孔隙及喉道半徑分布（圖8，圖9）。

圖8 不同滲透率巖心孔隙半徑分布

由孔隙半徑分布（圖8）可以看出，雖然致密巖心滲透率相差很大，但不同巖心孔隙半徑分布變化不大，孔隙半徑為100～200 μm.同樣有學(xué)者在特低滲儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的研究中也發(fā)現(xiàn)，對于特低滲儲集層，孔隙半徑一般為100～200 μm，分布差異較小[17]。與孔隙半徑分布不同，喉道半徑的分布存在較大差異（圖9）?？傮w上隨滲透率的減小，巖心喉道分布曲線范圍逐漸變窄，即巖心喉道分選性變強，且喉道半徑均逐漸減小。研究發(fā)現(xiàn)，相較于孔隙半徑，喉道半徑對滲透率的影響較大，喉道半徑是制約滲透率的關(guān)鍵參數(shù)，因此可以利用喉道半徑來表征滲透率的界限，進而作為致密儲集層補充能量方式的分選參數(shù)。

圖9 不同滲透率巖心喉道半徑分布

致密油藏注水或注氣開發(fā)時，儲集層狹小復(fù)雜喉道的卡斷作用強烈，孤立油滴通過狹小喉道時所消耗的額外附加阻力，即賈敏效應(yīng)，是阻礙流體產(chǎn)出的關(guān)鍵。通過計算油滴克服不同半徑喉道所需附加壓差，定量確定分選致密儲集層不同補充能量方式喉道半徑的大小。油滴通過狹小喉道所需要克服的附加壓差為

式中 p1——油滴前端壓力，kPa；

p2——油滴后端壓力，kPa；

r1——油滴前端的曲率半徑，μm；

r2——油滴后端的曲率半徑，μm；

σ——油水界面張力，10-2N/m；

θ——三相接觸角，（°）。

計算時，取油滴長度為1 mm，油水界面張力為20 mN/m，接觸角為65°，應(yīng)用（1）式計算克服不同喉道半徑所需的壓力梯度（圖10）。

圖10 不同喉道半徑克服壓力梯度曲線

由壓力梯度曲線可以看出，隨著喉道半徑的減小，油滴需要克服的額外附加阻力逐漸增大。當(dāng)喉道半徑大于2.0 μm時，壓力梯度增加速度較緩慢，當(dāng)喉道半徑小于2.0 μm時，壓力梯度增加速度逐漸增大，尤其當(dāng)喉道半徑小于1.0 μm時，壓力梯度急劇增加。另外，有學(xué)者從固液作用強度方面，對比了不同喉道半徑下的液測滲透率與氣測滲透率的比值，同樣得出了相同的結(jié)論[10]。因此，可以將主體喉道半徑1.5 μm作為致密油儲集層補充能量方式的分選界限。

3 結(jié)論

（1）對于致密儲集層而言，依靠自然能量即衰竭式開發(fā)采出程度低，注水開發(fā)效果不明顯，注氣開發(fā)效果較好。原因在于致密儲集層孔喉狹小，流固耦合作用明顯，水相的流動以及壓力的傳播僅僅局限于注水井附近；而氣體的黏度小，流動能力強，相較于注水開發(fā)，注氣開發(fā)的波及范圍更廣，開發(fā)效果較好。

（2）對于低滲儲集層，水相流動能力增強，注水井周圍的憋壓現(xiàn)象得到緩解，水相在不斷驅(qū)替原油流向生產(chǎn)井的同時能夠?qū)Φ貙幽芰科鸬胶芎玫匮a充作用，注水開發(fā)效果逐漸優(yōu)于注氣開發(fā)效果。滲透率的差異是分選補充能量方式的關(guān)鍵參數(shù)。

（3）在礦場實際中，滲透率往往并不能真實反映儲集層微觀特征。相較于孔隙半徑，喉道半徑對滲透率的影響較大，制約著流體通過巖石的能力，直接影響著致密油的動用程度和開發(fā)效果，可作為致密儲集層不同補充能量方式的分選參數(shù)。研究認為可將主體喉道半徑1.5 μm作為致密油儲集層補充能量方式的分選界限。

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